parichehr
9th September 2011, 07:27 PM
مقدمه
در چند دهه اخیر نانو کامپزیت های آلی – معدنی در عرصه علم و صنعت توجه بسیاری را به خود جلب کرده اند . با افزودن مقادیر بسیار کم در مقیاس نانو متر افزودنی ها و پرکننده هایی مانند خاک رس بجای کامپوزیت های عادی خواص حرارتی و مکانیکی آنها بهبود میابد . بهبود این خواص زمانی که ذرات بصورت پراکنشی لایه ای در بستر پلیمر پراکنده شود ، به حداکثر ممکن می رسد زیرا این مواد با هم خواص هم افزایی غیر قابل انتظاری نشان می دهد . یکی از این حالتها استفاده از صفحات معدنی از جنس لایه های سیلیکاتی است . این مواد خواص مکانیکی ، کاهش عبور پذیری ، کاهش قابلیت آتش گیری ، تخریب حرارتی و محیطی پلیمری را بسیار بهتر می کند . با افزودن درصد ناچیزی از این مواد ، کامپوزیتی با مدول ، استحکام و مقاومت حرارتی بسیار بالا حاصل میشود . همچنین توانایی تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر نیز با حضور خاک رس افزایش میابد .
مزایای نانو کامپوزیت های پلیمری
بطور خلاصه مزایای اینگونه کامپوزیت ها بصورت زیر است :
الف) خواص مکانیکی بهتر از کامپوزیتهای عادی
ب) ممانعت از نفوذ گازهایی مانند اکسیژن ، بخار آب ، هلیم ، دی اکسید کربن و بخارات آلی مانند اتیل استات (بدلیل تشکیل مسیر متخلخل و پر پیچ و خم بعلت حضور خاک رس
ج) افزایش سرعت تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر
د) افزایش پایداری حرارتی و خودخاموش شوندگی
ذ) کاربرد در سامانه های خاص برای مطالعه حالت ترمودینامیکی زنجیره های پلیمری که برای بسیاری از صنایع مانند پوشاک ، چسب ، کاتالیست و ... بسیار مهم است .
این خواص در درصدهای بالای سیلیکات (البته کمتر از 5% وزنی) در مقایسه با سامانه های حاوی پرکننده معمولی بدست می آیند .بعلت مصرف کمتر فاز معدنی ، نانوکامپوزیت های سیلیکاتی از کامپوزیت های عادی سبک تر و به همین دلیل از لحاظ عملکردی جایگزین مناسبی برای سایر مواد با کاربردهای ویژه هستند . علاوه بر این ترکیب بی نظیر خواص کلیدی نانو کامپوزیت ها و هزینه های پایین تولید کاربرد آنها را بسیار گسترش داده است .
پر کننده های نانو (نانو فیلر ها )
متداولترین پر کننده ها ی نانو و یا نانو فیلر های صنعتی نانو کامپوزیت ها خاک رس پر استفاده ترین خاک رس نیز گروه سنگ های معدنی اسمکتایت مانند مونت موریلونیت هستند که به خانواده سنگ های سیلیکاتی لایه ای (مثل میکا)تعلق دارند.
خاک رس ماده معدنی شامل لایه های سیلیکاتی و یون های قابل انتقال در بین این لایه ها ست. جاذبه قوی الکترواستاتیک بین کاتیون های بین لایه ای و لایه های سیلیکات رسیدن به پراکنش مطلوب لایه ای را مشکل می کند. عوامل فعال سطحی آلی (احتمالٲ شامل گروه های قابل پلیمریزه شدن ) باعث ایجاد نیروی محرکه سینیتیکی برای جدایی لایه های خاک رس و سرانجام پراکنش لایه ای مناسب می شوند.عوامل اصلاح کننده آلی قطبیت سطحی ( آب دوستی ) لایه های سیلیکات را کاهش و تمایل بین بستر پلیمری و سیلیکات را افزایش می دهند .
در واقع نمک های آمونیوم استفاده شده شاخه های بلند هیدرو کربنی دارند که هر چه طولشان بلند تر باشد ،تورم خاک رس (فاصله بین سطوح داخلی لایه های سیلیکات) بیشتر افزایش می یابد. علاوه بر نمک های آمونیوم چهار ظرفیتی ، نمک های فسفونیوم (ترجیحا با زنجیر های بلند آلکیل ) نیز برای اصلاح سطحی لایه های آب دوست خاک رس و آلی دوست کردن آن ها به کار می روند. کاهش انرژی سطحی خواص چسبندگی سطح خاک رس را با پلیمر ها و مو نومر ها بهبود می بخشد.
در بلور خاک لایه های بسیار نازک با ضخامت یک نانو متر و با ابعاد چند صد برابر (نسبت ابعاد ده تا هزار نانومتر ) با فواصلی بیشتر از نانومتر از هم قرار دارند. در این لایه ها یک صفحه مرکزی با بلور های هشت وجهی از آلومینا یا هیدروکسید منیزیم بین دو صفحه با بلور های چهار وجهی سیلیس قرار دارد. اتم های اکسیژن صفحه هشت وجهی نیز در صفحات چهار وجهی قرار می گیرند.
در لایه های سنگ های معدنی طبیعی به جای آلومنیوم یا سیلیس ،کاتیون های دیگری مانند منیزیم و آهن قرار می گیرند که موجب ایجاد بار منفی در صفحات می شوند که با حضور یون های فلزات قلیایی مانند لیتیم ، سدیم یا کلسیم خنثی می شود؛یعنی بین لایه های با ضخامت 95/0 نانومتر و فاصله دو تا پنج نانو متر یون های مثبت کوچکی شناور هستند که دافعه این صفحات را از بین می برند.
حضور این یون های بار دار و صفحات قطبی این خاک رس های نانو یل نانوکلی ها را آب دوست و یا آلی گریز می کند که با تعویض کاتیون شناور در بین صفحات با یون های طویل آلکیل امونیوم یا آلکیل فسفونیوم هم آب گریز می شوند و سازگاری بهتری با بستر آلی پیدا می کنند و هم به علت اندازه بزرگ تر آن ها فواصل بین لایه ها بیشتر و نفوذ زنجیره های پلیمری به داخل لایه ها آسان می شود.برای ایجاد سازگاری بیشتر ،بعد از آلی دوست کردن سطح لایه ها می توان از روش پلیمرزاسیون در حضور پر کننده نیز استفاده کرد. در این حالت مونومر ها به درون لایه ها وارد می شوند و هنگام پلیمریزه شدن در صورت حضور عوامل منایب ممکن است اتصالات شیمیایی نیز بین لایه ها و پلیمر ایجاد شوند.
علت بروز این خواص در نانو کامپوزیت ها بر هم کنش بین سطحی بین بستر و خاک رس است که میزان آن از کامپوزیت های معمولی بسیار بالاتر است. لایه های سیلیکات نسبت سطح منظر بسیار بالایی دارند (در حدود ده تا صد) و اگر به طور مناسب در بستر پراکنده شوند ،درصد اندکی از آن ها سطح بسیار بزرگی بین زنجیر های پلیمر و صفحات سیلیکاتی فراهم می آورد که ،در صورت کاهش انرزی سطحی آن ها ،از نظر ترمو دینامیکی بسیار پایدار است.
در چند دهه اخیر نانو کامپزیت های آلی – معدنی در عرصه علم و صنعت توجه بسیاری را به خود جلب کرده اند . با افزودن مقادیر بسیار کم در مقیاس نانو متر افزودنی ها و پرکننده هایی مانند خاک رس بجای کامپوزیت های عادی خواص حرارتی و مکانیکی آنها بهبود میابد . بهبود این خواص زمانی که ذرات بصورت پراکنشی لایه ای در بستر پلیمر پراکنده شود ، به حداکثر ممکن می رسد زیرا این مواد با هم خواص هم افزایی غیر قابل انتظاری نشان می دهد . یکی از این حالتها استفاده از صفحات معدنی از جنس لایه های سیلیکاتی است . این مواد خواص مکانیکی ، کاهش عبور پذیری ، کاهش قابلیت آتش گیری ، تخریب حرارتی و محیطی پلیمری را بسیار بهتر می کند . با افزودن درصد ناچیزی از این مواد ، کامپوزیتی با مدول ، استحکام و مقاومت حرارتی بسیار بالا حاصل میشود . همچنین توانایی تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر نیز با حضور خاک رس افزایش میابد .
مزایای نانو کامپوزیت های پلیمری
بطور خلاصه مزایای اینگونه کامپوزیت ها بصورت زیر است :
الف) خواص مکانیکی بهتر از کامپوزیتهای عادی
ب) ممانعت از نفوذ گازهایی مانند اکسیژن ، بخار آب ، هلیم ، دی اکسید کربن و بخارات آلی مانند اتیل استات (بدلیل تشکیل مسیر متخلخل و پر پیچ و خم بعلت حضور خاک رس
ج) افزایش سرعت تخریب پلیمرهای زیست تخریب پذیر
د) افزایش پایداری حرارتی و خودخاموش شوندگی
ذ) کاربرد در سامانه های خاص برای مطالعه حالت ترمودینامیکی زنجیره های پلیمری که برای بسیاری از صنایع مانند پوشاک ، چسب ، کاتالیست و ... بسیار مهم است .
این خواص در درصدهای بالای سیلیکات (البته کمتر از 5% وزنی) در مقایسه با سامانه های حاوی پرکننده معمولی بدست می آیند .بعلت مصرف کمتر فاز معدنی ، نانوکامپوزیت های سیلیکاتی از کامپوزیت های عادی سبک تر و به همین دلیل از لحاظ عملکردی جایگزین مناسبی برای سایر مواد با کاربردهای ویژه هستند . علاوه بر این ترکیب بی نظیر خواص کلیدی نانو کامپوزیت ها و هزینه های پایین تولید کاربرد آنها را بسیار گسترش داده است .
پر کننده های نانو (نانو فیلر ها )
متداولترین پر کننده ها ی نانو و یا نانو فیلر های صنعتی نانو کامپوزیت ها خاک رس پر استفاده ترین خاک رس نیز گروه سنگ های معدنی اسمکتایت مانند مونت موریلونیت هستند که به خانواده سنگ های سیلیکاتی لایه ای (مثل میکا)تعلق دارند.
خاک رس ماده معدنی شامل لایه های سیلیکاتی و یون های قابل انتقال در بین این لایه ها ست. جاذبه قوی الکترواستاتیک بین کاتیون های بین لایه ای و لایه های سیلیکات رسیدن به پراکنش مطلوب لایه ای را مشکل می کند. عوامل فعال سطحی آلی (احتمالٲ شامل گروه های قابل پلیمریزه شدن ) باعث ایجاد نیروی محرکه سینیتیکی برای جدایی لایه های خاک رس و سرانجام پراکنش لایه ای مناسب می شوند.عوامل اصلاح کننده آلی قطبیت سطحی ( آب دوستی ) لایه های سیلیکات را کاهش و تمایل بین بستر پلیمری و سیلیکات را افزایش می دهند .
در واقع نمک های آمونیوم استفاده شده شاخه های بلند هیدرو کربنی دارند که هر چه طولشان بلند تر باشد ،تورم خاک رس (فاصله بین سطوح داخلی لایه های سیلیکات) بیشتر افزایش می یابد. علاوه بر نمک های آمونیوم چهار ظرفیتی ، نمک های فسفونیوم (ترجیحا با زنجیر های بلند آلکیل ) نیز برای اصلاح سطحی لایه های آب دوست خاک رس و آلی دوست کردن آن ها به کار می روند. کاهش انرژی سطحی خواص چسبندگی سطح خاک رس را با پلیمر ها و مو نومر ها بهبود می بخشد.
در بلور خاک لایه های بسیار نازک با ضخامت یک نانو متر و با ابعاد چند صد برابر (نسبت ابعاد ده تا هزار نانومتر ) با فواصلی بیشتر از نانومتر از هم قرار دارند. در این لایه ها یک صفحه مرکزی با بلور های هشت وجهی از آلومینا یا هیدروکسید منیزیم بین دو صفحه با بلور های چهار وجهی سیلیس قرار دارد. اتم های اکسیژن صفحه هشت وجهی نیز در صفحات چهار وجهی قرار می گیرند.
در لایه های سنگ های معدنی طبیعی به جای آلومنیوم یا سیلیس ،کاتیون های دیگری مانند منیزیم و آهن قرار می گیرند که موجب ایجاد بار منفی در صفحات می شوند که با حضور یون های فلزات قلیایی مانند لیتیم ، سدیم یا کلسیم خنثی می شود؛یعنی بین لایه های با ضخامت 95/0 نانومتر و فاصله دو تا پنج نانو متر یون های مثبت کوچکی شناور هستند که دافعه این صفحات را از بین می برند.
حضور این یون های بار دار و صفحات قطبی این خاک رس های نانو یل نانوکلی ها را آب دوست و یا آلی گریز می کند که با تعویض کاتیون شناور در بین صفحات با یون های طویل آلکیل امونیوم یا آلکیل فسفونیوم هم آب گریز می شوند و سازگاری بهتری با بستر آلی پیدا می کنند و هم به علت اندازه بزرگ تر آن ها فواصل بین لایه ها بیشتر و نفوذ زنجیره های پلیمری به داخل لایه ها آسان می شود.برای ایجاد سازگاری بیشتر ،بعد از آلی دوست کردن سطح لایه ها می توان از روش پلیمرزاسیون در حضور پر کننده نیز استفاده کرد. در این حالت مونومر ها به درون لایه ها وارد می شوند و هنگام پلیمریزه شدن در صورت حضور عوامل منایب ممکن است اتصالات شیمیایی نیز بین لایه ها و پلیمر ایجاد شوند.
علت بروز این خواص در نانو کامپوزیت ها بر هم کنش بین سطحی بین بستر و خاک رس است که میزان آن از کامپوزیت های معمولی بسیار بالاتر است. لایه های سیلیکات نسبت سطح منظر بسیار بالایی دارند (در حدود ده تا صد) و اگر به طور مناسب در بستر پراکنده شوند ،درصد اندکی از آن ها سطح بسیار بزرگی بین زنجیر های پلیمر و صفحات سیلیکاتی فراهم می آورد که ،در صورت کاهش انرزی سطحی آن ها ،از نظر ترمو دینامیکی بسیار پایدار است.